美国维拉扎诺悬索桥锚碇的设计与施工

美国维拉扎诺悬索桥锚碇的设计与施工＊

编译　王锋君

(浙江大学土木系道桥研究所,浙江杭州310027)

摘　要:对美国第一大跨度悬索桥———维拉扎诺海峡桥锚碇的设计和施工进行了详细的介绍,对目前国内方兴未艾的大跨度悬索桥建设有重要参考价值。

关键词:悬索桥;锚碇;滑动摩擦系数;大体积混凝土中图分类号:U443.25;U445.4 文献标识码:A

文章编号:1003—4714(2000)04-0001-04

＊注:本文经西南交通大学钱冬生教授校核。收稿日期:2000-07-09

编译者简介:王锋君(1971-),男,教授,1998年毕业于西南交通大学土木学院桥梁与隧道工程专业,获工学博士学位,现在浙江大学土木系博士后流动站工作。

美国维拉扎诺悬索桥位于维拉扎诺海峡上,连接纽约市的斯塔滕(Staten )岛和布鲁克林(Brooklyn )区。该桥主跨为1298.45m ,1959年8月13日动工,1964年11月21日通车。由于维拉扎诺海峡桥锚碇史无前例的巨

大规模(该桥共计12条行车道,荷载很大;虽仅比金门桥跨度大18.25m ,但它主跨的总荷载却大出2/3),因而在其设计与施工过程中遇到了一些特殊的问题。1　土壤调查

斯塔滕岛侧锚碇和布鲁克林侧锚碇处土壤情况通过典型钻孔探测。钻孔在1954～1961年间分两个阶段完成,延伸到地表下120m 。这些调查显示,尽管两个锚碇的表面标高有很大差别,但两锚碇处的土壤情况是相似的。其主要涉及的层是砂砾层1和有机粘土层2,它们分别由石榴石片岩层(在斯塔滕岛)和片麻岩层(在布鲁克林)作底盘。两处的风化岩层构成了从2层底到遇坚岩处的标高的过渡。每一锚碇处土壤情况的简要柱状图见图1。

层1的典型粒状土壤被称为从“棕中粗砂到细砂,很少含粉砂”到“棕粗砂到细砂,微量到少量粉砂,微量中粗砂到细砾”。斯塔滕岛处,这些土壤的天然密实度等级是“密实”或更密实一些。布鲁克林处,等级是“中密”或更好一些。粒层1的密实度允许使用扩大基础。砂砾层1的平均厚度,在基础倾斜底部以下分别是34m (斯塔滕岛)和38m (布鲁克林)。这些条件使荷载在层1中大量扩散,并能降低锚碇荷载在层2上产生的应力。

有机粘土层2的平均厚度在斯塔滕岛侧锚碇是19m ,在布鲁克林侧则是37.8m 。由于层2的“硬”天然坚实度,两地具有很高的预应力。在布鲁克林处条件稍差,因为很厚一部分层2土被基础水平面下的较大厚度

图1　锚碇处地表下土壤情况

的层1部分抵消了。

在两锚碇处层2土壤的天然含水量数据是均匀的,

布鲁克林和斯塔滕岛处平均值分别为23%和35%。层2的固结试验给出1.15MPa 的自然应力状态,这说明在两个锚碇位置处,都有0.29～0.38MPa 的超固结。另外,层2的延迟固结时间也相对较短,这是由于以下3个因素的有利影响:(1)超固结状态;(2)由于挖掘操作使土卸载;(3)在每个施工阶段,迭加的应力增量相对较小。由此得出,由土层2引起的大部分最终固结沉降,发生在施工期间;而砂砾层层1的延迟时间相当短,因而由此层引起的沉降全部发生在施工期间。2　沉降估算

由于现场遇到的土层明晰,因此,基层内的应力可由波密斯特层状体系理论来加以估算。估算时,土层等价模量比E 1/E 2至少取10。而对刚性基础,只要对其平均应力情况进行分析即可。

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运用“增量深度”的分析方法,可以估算两锚碇的预期沉降和倾斜量。这种方法可以模拟沉积物不断沉积的连续变化过程。直接使用固结卸载—加载的应力循环,开始是从超载减去挖方应力,

接着相应于每个深度

图2　锚碇基础沉降估算

增量,施加对应的基础荷载。

图2综合介绍了对每个锚碇基础平面上的点的沉降估算。与这些阶段相对应的基础压力见图3,预期的平均沉降为135～152mm ,实际上,实测的沉降小于或等于预期沉降。3　滑动摩擦试验

尽管滑动阻力是工程设计中常遇到的一个问题,但在工程和土力学文献中就这一问题只有有限的论述。取一保守的安全系数,正常使用的滑动摩擦系数值范围是0.4～0.6。因为滑动阻力在锚碇结构设计中是一个控制因素,由此,必须根据试验估算摩擦阻力,使之尽可能接近真实值。必须模拟锚碇处的实际情况,考虑刚性底脚的作用、基础上的填土和竖向、水平方向锚碇力。

采用一种特殊的试验装置,其特点是通过一个可控的真空来模拟填土对锚碇模型周围砂表面的约束情况。向钢质容器装砂并压实到要求的密实度,将模块放在砂上面,然后取一薄橡皮膜展开罩住容器口,再将容器内的空气抽空,就可以做试验了。分别以散砂和密实砂为试验材料,做成102mm ×146mm 的模块,一共完成了两个系列的试验,图4为试验模型图

。

图3　锚碇基础压力分布图

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国外桥梁 2000年第4期

试验表明,在试验中约束作用是很重要的,可以想象在原型中约束作用也同样重要。因为作用比0.048MPa 更大的约束力和比0.24MPa 更高的正压力是不实际的,故试验结果是根据约束力与正压力之比进行理解的。用这种方式描述试验数据,可得出如图5所示的滑动摩擦系数与约束率的无量纲关系曲线(分别是小模型试验和457mm ×305mm 模块的大模型试验)。所以,给定基础正压力与约束力之比,就可估算出滑动摩擦系数的峰值

。

图4　

试验模型示意图

图5　滑动摩擦系数与约束率的关系曲线

另一个重要发现是为了运用最大滑动摩擦值所要求的水平方向相对位移相当小,因此,在锚碇前面的被

动土压力不能计入。尤其当工作的滑动摩擦值是在计入一安全系数之时。

尽管因为温度效应和缆索拉力增长引起锚碇倾斜等干扰了对锚碇位移不能精确测量,但锚碇的实际位移在数量级上是同滑动试验结果相同的。

考虑两锚碇处的约束条件,可经认为滑动摩擦系数能达0.60～0.70。鉴于对该结构的安全,摩擦系数起控

制作用,故本设计的摩擦系数取0.3。

4　基本设计特色

两个锚碇由大体积混凝土块组成。尾部块锚固钢连杆以固定主缆的延伸段,前部块是支撑缆索鞍座的空心支墩。由缆索方向变化引起的力就是通过鞍座传递给混凝土块的。因此,每个锚碇都是按抵抗因主缆锚固在其尾部而引起的倾覆以及作用在其前部的直接压力设计的。缆索拉力的水平分力主要由锚碇与土之间的滑动摩擦来抵抗,见图6。

图6　布鲁克林侧锚碇一般构造

除一个钢纵梁跨越索股外,下层桥面行车道由锚碇混凝土支承;上层桥面行车道则由两个2跨连续纵梁通过钢构架而支承在锚碇圬工之上。

从锚碇内部到主缆各股眼杆暴露段及桥的下层板,由一连续的人行道和阶梯提供通道。

在锚碇的前壁和后壁都需开设通气门和通气孔以促进通风。布鲁克林侧锚碇的前壁和后壁都设有自动门,在斯塔滕岛侧锚碇的前壁有一手工可开启的通道,它们都容许通过载重汽车。在每个锚碇的尾部都设有

向位于桥上下板的灭火储水系统供水的电动高压灭火泵。城市供水干管网直接向灭火泵供水。

斯塔滕岛侧锚碇地面范围位于海拔+21m ～+29m 间,扩展基脚的斜基面在海拔+4.9m ～-1.2m 间变化。锚碇的三角形突出部大约高出地面34m 。在坡脚处,底面长98m 、宽67m 。因邻近重要国防设施,这限制了锚碇坡脚向旁扩展,也限制其后部向岸悬伸。这些限制对锚碇底面压应力均匀分布有不利影响。

布鲁克林侧锚碇建在一个较低的水平面上,其海拔为+10m 。它的扩展的基底位于一斜面,后部海拔为-9.4m ,前部海拔为-2.7m 。锚碇的三角形尖顶大约

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